彈射座椅的“黑科技”，飛行員最后的安全依靠

大連某航修廠工程師李明談彈射座椅的功效與設計原理——

飛行員最后的安全依靠孫暢 宋茹 孟金玲

前不久，美軍F/A-18E“超級大黃蜂”在進行訓練飛行時發(fā)生意外，戰(zhàn)機墜毀后碰撞地面引起爆炸，現場濃煙滾滾。幸運的是，飛行員借助彈射座椅安全逃生。

戰(zhàn)機彈射座椅彈射瞬間。資料照片

作為飛行員最后的安全依靠，彈射座椅是一種可在緊急情況下，利用火箭動力將飛行員彈離飛行器并使其安全著陸的航空救生設備。

二戰(zhàn)時，世界誕生了第一臺彈射座椅。此后，彈射座椅迅速推開。到今天，隨著科技進步，彈射座椅已歷經迭代發(fā)展，可滿足戰(zhàn)機在不利姿態(tài)和高速飛行狀態(tài)下的逃生需求，在最后的緊要關口為飛行員生命撐起了一道“安全屏障”。

火箭式秒速彈射，飛行員的自救“神器”

在激烈的空中對抗中，戰(zhàn)斗局勢瞬息萬變，戰(zhàn)機飛行狀態(tài)充滿了許多不確定性因素。一旦戰(zhàn)機受損失控，飛行員就要以最快速度逃離飛機。

一戰(zhàn)中，飛機設計師為飛行員配備了降落傘，當需要棄機逃生時，飛行員要自行打開座艙蓋，爬出座艙，跳離機身并打開降落傘，逃生概率比較低。

隨著軍用飛機升級換代，高速度、多姿態(tài)的飛行條件給飛行員逃生帶來了更加嚴峻的考驗，傳統(tǒng)逃生方式受時間限制已經無法實現。直到二戰(zhàn)時期，彈射救生方式應運而生。

設計師在縮短逃生時間上花費了大量精力?，F代戰(zhàn)機的彈射逃生動作幾乎是一瞬間完成。有數據統(tǒng)計顯示，從飛行員啟動彈射座椅開始，到降落傘完全打開，僅需2.48秒。

那么，在如此短暫的彈射瞬間，彈射座椅怎樣才能保證飛行員順利自救呢？

慢鏡頭回放，我們發(fā)現，彈射其實是一個非常復雜的過程。

當需要彈射逃生時，飛行員只需拉動彈射手柄，點火機構和火箭發(fā)射器在0.4秒時間就能依次完成啟動，相當于眨一次眼的時間。

在拉動彈射手柄的一瞬間，座椅上的束縛裝置會將飛行員的身體緊緊地“綁”在座椅上，做好彈射啟動的準備，避免彈射時與座艙內的設備碰撞。

與此同時，戰(zhàn)機會采用將艙蓋整體拋離或者爆破粉碎的方式，破除座艙蓋對彈射時的阻礙，為飛行員打開逃生通道，防止飛行員與艙蓋相撞。

當這一系列彈射準備動作完成后，座椅才會通過彈道和火箭兩級動力進入彈射階段。

彈道彈射作為一級動力會將座椅迅速彈離飛機，而火箭彈射會將座椅帶到更安全的高度，確保飛行員與飛機保持安全距離，并保證降落傘能夠順利打開。

實現這一系列動作都依托彈射座椅的“大腦”——程序控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時發(fā)出修正飛行軌跡的指令，確保人椅彈離到安全跳傘高度，再釋放穩(wěn)定減速傘，選擇最佳的人椅分離時機，安全打開降落傘。

彈射逃生到此就結束了嗎？當然不是。

彈射座椅既要讓飛行員秒速出艙，還要保護飛行員安全著陸，并在等待救援過程中抵御各種危險。

在著陸階段，飛行員的救生包會自動打開，救生船自動充氣，自帶的信標機隨之發(fā)出求救信號。

安全著陸后，飛行員可以利用救生包內的救生手冊、信號彈、口糧、海水脫鹽劑等幾十種野外救生物品進行自救。

不僅如此，根據任務特點，有的彈射座椅還配備了沙漠、寒區(qū)、熱帶叢林等不同地域環(huán)境的救生物品。這些救生物品幫助飛行員應對各種惡劣環(huán)境，上演真正的“絕地求生”。

最復雜的設計工藝，最安全的逃逸系統(tǒng)

飛行是勇敢者的事業(yè)，從萊特兄弟發(fā)明第一架飛機開始，飛行夢想與未知風險就如影隨形。當飛機失控后，飛行員如何安全返回地面？一直以來都是設計師研究的重要課題。

早在18世紀中期，人類便嘗試撐起大傘從高塔上空跳下。1797年，法國物理學家加納林背著由柔軟織物編織而成的大傘從1000米高處跳下并安全著陸。

這一時期的空中逃生裝置設計比較簡單，多用于商業(yè)表演，但這是降落傘的原型。一戰(zhàn)時，聰明的設計師利用降落傘挽救了大量飛行員的生命。

然而，到了二戰(zhàn)時，德國設計師發(fā)現了這樣的問題：隨著戰(zhàn)機飛行速度越來越快，僅憑一具降落傘已經不能保證飛行員安全。

他們得出結論，當戰(zhàn)機飛行速度大于600千米/小時，飛行員從座艙內部打開艙蓋異常困難。即使能夠打開艙蓋，飛行員背著沉重的降落傘從狹小駕駛艙中跳出的瞬間，遇上高速氣流無異于“迎面撞車”，若不幸被氣流吹至飛機尾翼，可能會受重傷甚至死亡。

設計師意識到，開發(fā)一種能夠讓飛行員在飛機高速飛行時盡快逃生的裝置迫在眉睫。

彈射座椅發(fā)明的前前后后，是人類與死神不斷抗爭的一段歷程。實際上，彈射座椅的設計構想源于一次意外經歷——

二戰(zhàn)時，由于一次不當操作，德軍掩體內炸藥爆炸，幾名士兵被炸出七八米高，這次意外給設計師帶來設計靈感：能不能研制一款爆炸裝置，當遇到險情時，把飛行員“炸”出艙。

他們曾嘗試使用高彈性橡皮筋作為動力，但以失敗告終。直到1940年，在噴氣式原型機He-280上裝配了以壓縮空氣為動力的彈射座椅，這是人類首次在2370米高空墜落得以幸存，實現了彈射座椅的“首秀”。但這款座椅有著彈射力度小、壓縮空氣儲氣瓶重量大、氣體易泄漏等方面缺陷，并沒有實現量產。

第一代彈射座椅問世于二戰(zhàn)后，它以彈道式彈射為原理，借助火藥威力，把人和座椅作為“炮彈”射出飛機座艙。但第一代彈射座椅彈射動力有限，無法滿足低空彈射要求，不久便被淘汰。

為了解決低空彈射問題，國外某研究部門提出了“兩級彈射機制”方法，即當彈射機構將座椅彈到一定高度時，火箭包啟動，把飛行員推向更高的開傘高度。于是，第二代彈射座椅問世，這一代彈射座椅引入了“零-零”彈射概念，在零高度、零速度的條件也能彈射，安全性顯著提升。

然而，只有“零-零”彈射還是不夠的。彈射座椅出艙后，相當于一個小型、不規(guī)則的飛行器，一旦戰(zhàn)機飛行姿態(tài)不利，彈射方向便難以預測，甚至出現射向地面的情況，降低了飛行員的生存率。

聰明的設計師在第三代彈射座椅的研制中，采用了座椅穩(wěn)定系統(tǒng)、方向感知系統(tǒng)等設計，滿足多種飛行姿態(tài)下的逃生需要，安全性顯著提高，大名鼎鼎的俄羅斯K36彈射座椅便是這一代彈射座椅的代表。目前，該彈射座椅在蘇-30、蘇-27等戰(zhàn)機上普遍應用。

隨著科技快速發(fā)展，火箭推進器技術更加成熟。作為彈射座椅的主要動力，火箭推進器產生的15倍重力加速度，能夠帶著重量高達上百公斤的部件實現彈射，這也是戰(zhàn)機設計中最復雜的裝置之一。

集“黑科技”于一身，軍用飛機的“私人定制”

彈射過程看起來只是短短一瞬間，但飛行員每次驚險逃生的背后，都凝聚著設計師的智慧。

彈射座椅本身是一個涉及彈射操縱、穩(wěn)定減速、遠距離點火等多個系統(tǒng)的復雜工程。要想彈射成功，程序控制、人椅穩(wěn)定、人椅分離等多個程序和相關的部件必須緊密配合、協(xié)同工作。

彈射逃生是一次驚險旅程。在彈射瞬間，飛行員要承受約15倍的重力加速度，相當于15個自己體重的力量作用在身體上，巨大的沖擊力會讓飛行員瞬間進入眩暈甚至無意識狀態(tài)。此外，彈射過程中還要經受低溫、高速、強氣流等重重考驗。

受到各種“苛刻”條件限制，彈射座椅的研發(fā)難度非常大。不僅要確保在各種極端惡劣飛行條件下能夠正常工作，還要兼顧飛行員各種生理參數和裝機重量的多重要求。

在幾十年研發(fā)過程中，彈射座椅逐漸集合了空氣動力學、流體力學等數十個學科，科技含量極高。想要制造出一部性能優(yōu)越的彈射座椅更是難上加難。目前，世界上只有少數國家具備獨立研制能力。

系統(tǒng)多、協(xié)調性強、機電一體化程度高是現代彈射座椅的主要特點。在多達數十項技術指標中，彈射性能是最關鍵的指標之一。然而，想要通過地面試驗模擬空中高速飛行下的彈射狀態(tài)，難度可想而知。

設計師經過多年研究，終于研發(fā)出一種模擬試驗方法——火箭橇滑軌試驗。

這項試驗需要大型場地，滑軌軌道長度要達到幾千米，通過精細的焊接制造，軌道精度精確到0.2毫米，相當于一根頭發(fā)絲的精度。

有了高科技試驗設備，彈射座椅能夠在高精度軌道上模擬零高度、全速度的彈射效果。最后，通過高速視頻攝像機捕捉數據，依靠數學建模等一系列計算分析后，才能判定彈射性能是否合格。

目前，為了保證飛行員安全，集高科技、高性能于一身的彈射座椅已經成為軍用飛機的“私人定制”。世界上幾乎所有戰(zhàn)機都配備了彈射座椅。

不僅如此，隨著飛行員空中逃生概率的提升，許多國家空軍對彈射逃生的認識產生了“附加值”，讓戰(zhàn)斗經驗豐富的飛行員在空難中幸免于難，對空軍戰(zhàn)斗力提升有著極其重要意義。

據統(tǒng)計，世界上大多數王牌飛行員都有過彈射逃生的經歷，每次“劫后余生”都幫助他們成長為“更好的飛行員”。